5種水生植物在冬季對(duì)小沿河水體脫氮除磷效果的研究

唐樹(shù)平　張翠英　王同勛　戴青松

摘要：指出了冬季水生植物脫氮除磷效果的研究對(duì)低溫地區(qū)水體的凈化具有重要意義。通過(guò)人工模擬徐州小沿河冬季的自然條件，探討了西伯利亞鳶尾、菹草、狐尾藻、伊樂(lè)藻、燕麥草5種水生植物對(duì)水體脫氮除磷的效果。結(jié)果表明：5種水生植物都能較好地吸收水體中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但不同水生植物對(duì)水體脫氮除磷的效果存在明顯差異。對(duì)總氮的去除效果依次為：西伯利亞鳶尾>燕麥草>伊樂(lè)藻>狐尾藻>菹草；而對(duì)總磷的去除效果則隨時(shí)間的變化有所改變，但總體表現(xiàn)為：燕麥草>伊樂(lè)藻>西伯利亞鳶尾>狐尾藻>菹草。不同月份水生植物去除水體氮磷的變化特點(diǎn)為：11月和3月去除效果較好，12月、1月和2月較差；而且西伯利亞鳶尾和燕麥草對(duì)總磷的去除效果受月份影響較小，表現(xiàn)較為穩(wěn)定。西伯利亞鳶尾、燕麥草和伊樂(lè)藻可以作為冬季徐州小沿河水體氮磷去除的優(yōu)選水生植物。

關(guān)鍵詞：水生植物；總氮；總磷；小沿河

中圖分類(lèi)號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2014）04-0216-04

1、引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，全國(guó)湖泊水質(zhì)均不同程度地呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，水源水也受到了一定程度的污染。目前，處理水體富營(yíng)養(yǎng)化的方法很多，如化學(xué)投藥、稀釋和水洗、疏浚、底層曝氣等，但這些方法不僅破壞原有的水生植物及底棲生物群落，造成物種減少、水體自?xún)裟芰ο陆担掖嬖诠こ坛杀靖摺⒊练e物難處置、二次污染嚴(yán)重等問(wèn)題。

水生植物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量的循環(huán)、傳遞起調(diào)控作用，對(duì)水質(zhì)起生物監(jiān)測(cè)作用，且具有良好的凈化效果與獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)效益。因此，近年來(lái)，在水體中引入外來(lái)水生植物，利用水生植物凈化水體日益受到人們的關(guān)注，并取得了一定的成果。由于適宜溫暖季節(jié)生長(zhǎng)的水生植物品種繁多、效果顯著，大多文獻(xiàn)的研究主要是在此溫度條件下進(jìn)行的，而對(duì)寒冷季節(jié)植物凈化水體的研究較少。如何改善寒冷季節(jié)水生植物對(duì)氮磷的去除效果、提高低溫環(huán)境中植物的修復(fù)效率，進(jìn)而解決植物修復(fù)的周年循環(huán)問(wèn)題，是污染水體植物修復(fù)過(guò)程中必須解決的重要問(wèn)題。

本文通過(guò)人工模擬徐州小沿河自然條件，分析不同種類(lèi)的水生植物對(duì)其根際甚至水體中的氮、磷循環(huán)的影響，比較徐州小沿河水源地水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和水生植物對(duì)水體的凈化能力，篩選環(huán)境功能強(qiáng)、景觀(guān)效果好的濕地生態(tài)修復(fù)物種，探討相對(duì)有效的水生植物群落。

2、材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

徐州市小沿河水源地位于銅山縣柳新鎮(zhèn)北部，上至微山湖深湖區(qū)，下至湖西航道，是一條湖內(nèi)清水河道。小沿河流域面積約10km²，全長(zhǎng)15.5km，是徐州市唯一的地表集中式飲用水水源地，設(shè)計(jì)日供水能力20萬(wàn)m³，承擔(dān)著北區(qū)50萬(wàn)人口的供水任務(wù)。氣候?qū)儆诘湫偷呐瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候，四季之中春、秋季短，冬、夏季長(zhǎng)；春季天氣多變，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒潮頻襲。

2.2 試驗(yàn)材料

根據(jù)徐州市的氣候特征、植物資源，并結(jié)合各種水生植物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，選用徐州地區(qū)常見(jiàn)的水生植物進(jìn)行研究，采用的耐寒植物分別是西伯利亞鳶尾、菹草、狐尾藻、伊樂(lè)藻和燕麥草。西伯利亞鳶尾（Iris sibirica）是近年來(lái)我國(guó)園林工作者從歐洲引進(jìn)的，其最大的特點(diǎn)是終年常綠，冬季長(zhǎng)勢(shì)好，在-15℃仍能保持葉片翠綠，是水生植物中難得的四季常綠品種，是冬季凈化水體的主力軍；菹草（Potamogeton crispus Linn.）是一種世界廣布的多年生沉水植物，秋季發(fā)芽，冬春生長(zhǎng)，4～5月份開(kāi)始繁殖，對(duì)污染水體具有較高的凈化效率；狐尾藻（Myriophyllumverticillatum）是多年生草本，夏末秋初開(kāi)花，在我國(guó)南北方均有分布，生于池塘和湖泊中，觀(guān)賞價(jià)值高，凈水效果佳，可高效去除水中有機(jī)物、氨氮、磷酸鹽等；伊樂(lè)藻（Elodea Canadensis Michx）原產(chǎn)美洲，是一種優(yōu)質(zhì)、速生、高產(chǎn)的沉水植物，氣溫在5℃以上即可生長(zhǎng)，在寒冷的冬季能以營(yíng)養(yǎng)體越冬；燕麥草（Arrhenatherum elatius（Linn.）Pressl）屬多年生草木，較耐寒，不耐陰，在南方溫暖地區(qū)則終年常綠，冬季尚可緩慢生長(zhǎng)。

本試驗(yàn)中菹草、狐尾藻采自徐州小沿河，西伯利亞鳶尾、燕麥草和伊樂(lè)藻取自徐州工程學(xué)院中心校區(qū)校園內(nèi)。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在徐州工程學(xué)院通風(fēng)寬敞的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，不采用任何保暖措施。試驗(yàn)期間溫度與小沿河地區(qū)冬季室外溫度相同，氣溫-10～4℃，水溫3～10℃，試驗(yàn)中將植物培養(yǎng)在1L的燒杯中。

2012年9月中旬將西伯利亞鳶尾、菹草、狐尾藻、伊樂(lè)藻和燕麥草移栽至實(shí)驗(yàn)室，從小沿河一級(jí)水源地保護(hù)區(qū)采集水樣，并在相同的條件下對(duì)上述5種植物進(jìn)行培育。10月底西伯利亞鳶尾水上部分生物量達(dá)到較大值，達(dá)到成株高度，但根系較細(xì)；11月中旬燕麥草水上部分生物量達(dá)到較大值，達(dá)到成株高度，根系較發(fā)達(dá)，根須較粗。從10月份開(kāi)始每2d給植物換1次水，在2012年11至2013年3月中旬對(duì)水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。

2.4 水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定方法

水質(zhì)指標(biāo)按《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定，水樣用清潔塑料瓶采取，經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾，總磷（TP）采用鉬銻抗比色法測(cè)定；總氮（TN）采用紫外分光光度法測(cè)定。

3、結(jié)果與分析

3.1 水生植物的生長(zhǎng)狀況

西伯利亞鳶尾、菹草、狐尾藻、伊樂(lè)藻和燕麥草從移栽至燒杯內(nèi)到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，其各自的生長(zhǎng)狀況存在很大的差異。其中西伯利亞鳶尾和燕麥草的生長(zhǎng)情況最佳，存活率達(dá)到100%，在培育了接近2個(gè)月的時(shí)候，西伯利亞鳶尾和燕麥草均長(zhǎng)出了新根，西伯利亞鳶尾長(zhǎng)出了新芽；而狐尾藻、伊樂(lè)藻的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)有所欠缺，平均存活率在40%～50%之間；菹草的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)最不理想，植物的存活率低于30%。在2012年12月至2013年2月，各植物的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)與在其它時(shí)間的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)相比均有所下降：西伯利亞鳶尾、燕麥草的葉子都有所枯萎，伊樂(lè)藻、狐尾藻的葉子均有泛黃現(xiàn)象，菹草葉子大量枯死。endprint

3.2 不同水生植物對(duì)小沿河水體總氮去除效果的比較

植物可吸收無(wú)機(jī)氮作為自身的營(yíng)養(yǎng)成分，并合成植物蛋白等有機(jī)氮，同時(shí)植物根部附近能夠形成好氧-缺氧-厭氧的微環(huán)境，有利于硝化菌和反硝化菌的共存，增強(qiáng)微生物的硝化和反硝化作用，因此利用植物可提高污水中氮的凈化效率。不同水生植物對(duì)小沿河水體總氮的吸收情況如圖1所示。試驗(yàn)期間，西伯利亞鳶尾對(duì)總氮的去除率很高，總氮去除率達(dá)到1.67%～7.30%；燕麥草次之，其去除效率在11月份達(dá)到最大值7.86%；伊樂(lè)藻、狐尾藻的去除效率基本一致，在1.47%～6.70%之間；菹草的去除率在試驗(yàn)期間的波動(dòng)最大，在1月份的去除效率最低（1.03%），而在其他季節(jié)又表現(xiàn)出較好的去除率（7.71%）。方差分析表明，不同水生植物去除小沿河總氮的能力依次為西伯利亞鳶尾>燕麥草>伊樂(lè)藻>狐尾藻>菹草（P>0.05）。

3.3 不同水生植物對(duì)小沿河水體總磷去除效果的比較

水中總磷的去除，一方面是以磷酸鹽沉降并固結(jié)在基質(zhì)上的形式去除，另一方面是植物吸收可給性磷的形式去除。由圖2可知，試驗(yàn)中的5種植物對(duì)小沿河水體總磷的去除效果存在顯著差異，平均去除率以燕麥草最高，其次是伊樂(lè)藻、西伯利亞鳶尾，最差的是狐尾藻、菹草。在不同時(shí)期，其去除效果也各不相同，比如2012年11月份各植物對(duì)總磷的去除率由高到低依次為伊樂(lè)藻（8.75%）>燕麥草（8.35%）>菹草（8.09%）>狐尾藻（7.63%）>西伯利亞鳶尾（7.42%），而2013年1月份去除率由高到低順序卻為燕麥草>（4.76%）西伯利亞鳶尾（3.89%）>伊樂(lè)藻（3.44%）>狐尾藻（1.98%）>菹草（1.33%）。

3.4 不同月份水生植物去除小沿河水體氮磷的變化

水生植物的存在，不僅使得附著其上的微生物和微型生物大大加速對(duì)截留在根系周?chē)挠袡C(jī)膠體或懸浮物的分解礦化，而且水生植物的根系還能分泌促進(jìn)嗜磷、氮細(xì)菌生長(zhǎng)的物質(zhì)，從而間接提高水體凈化率。但是水生植物生長(zhǎng)繁殖受到季節(jié)、溫度、pH值、溶解氧等多種環(huán)境因素制約，從而影響其凈化效率，本文研究從2012年11月到2013年3月水生植物去除小沿河水體氮磷的變化情況，為下一步水生植物的篩選、利用奠定基礎(chǔ)。從圖3可知，不同月份水生植物去除總氮效果變化很大，2012年11月和2013年3月總氮去除率較高，而2012年12月到2013年2月總氮去除率均較低，這可能是由于寒冬低溫抑制水生植物生長(zhǎng)繁殖所致。不同月份水生植物對(duì)總氮的去除效果表現(xiàn)為2012年11月（7.19%）>2013年3月（4.97%）>2013年2月（2.17%）>2012年12月（1.83%）>2013年1月（1.47%）。而不同月份水生植物對(duì)總磷的去除效果表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即2012年11月和2013年3月總磷去除率高于其它3個(gè)月份，但不同是西伯利亞鳶尾和燕麥草在總磷去除過(guò)程中總體表現(xiàn)較為穩(wěn)定，受月份影響較小（圖4）。不同月份水生植物對(duì)總磷的去除效果以2012年11月最好，為8.05%，2013年1月最差，僅為3.08%。

4、討論

水生植物對(duì)水中的污染物有較強(qiáng)的吸附、降解功能，能夠有效地降低水體中污染物的濃度。在小沿河構(gòu)建耐寒水生植物群落，能夠提高冬季水體的凈化能力，降低水中污染物的濃度，減少自來(lái)水廠(chǎng)的處理負(fù)荷。

本文對(duì)小沿河引人外來(lái)水生植物，包括西伯利亞鳶尾、菹草、狐尾藻、伊樂(lè)藻和燕麥草后，需要對(duì)所構(gòu)建的植物群落做定期的管理，經(jīng)常對(duì)水生植物進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并對(duì)枯萎死亡的植物進(jìn)行收割，防止二次污染。當(dāng)水中的伊樂(lè)藻、狐尾藻、菹草吸收了大量的污染物時(shí)，應(yīng)及時(shí)將其打撈出來(lái)，否則吸附在其表面的污染物質(zhì)將會(huì)返回水中，使水質(zhì)惡化。水中的伊樂(lè)藻、狐尾藻、菹草被打撈出來(lái)后，西伯利亞鳶尾和燕麥草對(duì)水體氮磷的去除起主要作用。為避免西伯利亞鳶尾、燕麥草過(guò)度生長(zhǎng)，莖葉生長(zhǎng)太茂盛了需對(duì)其進(jìn)行修剪，防止其覆蓋水面，使陽(yáng)光不能照射到水面上，影響沉水植物進(jìn)行光合作用。

由于不同植物根系發(fā)達(dá)程度不同，釋放氧的速率也不同，對(duì)微生物的活性影響也不同，從而對(duì)污水的凈化效率也不同，有的植物可以高效吸收氮，有的可以更好地富集磷。而栽種單一植物的生態(tài)溝渠，植物生長(zhǎng)不旺盛，對(duì)污染物的凈化效果也不明顯。當(dāng)使用多種植物組合時(shí)，具有更合理的物種多樣性，更容易使生態(tài)系統(tǒng)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

本研究發(fā)現(xiàn)，西伯利亞鳶尾、菹草、狐尾藻、伊樂(lè)藻和燕麥草5種水生植物所構(gòu)建的植物群落對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的TN、TP都有不同程度的吸收凈化作用。由于沉水植物菹草、狐尾藻、伊樂(lè)藻在試驗(yàn)階段有植物死亡，死亡植物會(huì)向水體釋放有機(jī)氮，因此它們對(duì)氮的去除率較低。而西伯利亞鳶尾、燕麥草等挺水植物，則完全靠根部吸收營(yíng)養(yǎng)，植物死亡或代謝物都較少，對(duì)水體總氮含量影響也較小，所以有較高的去除率。磷元素的去除主要依靠植物吸收、根系吸附和沉降，挺水植物西伯利亞鳶尾和燕麥草的根系發(fā)達(dá)，與其它幾種植物相比表現(xiàn)出較優(yōu)越的去除效果。

因此，冬季在小沿河水體中，應(yīng)大量種植西伯利亞鳶尾和燕麥草等根系發(fā)達(dá)的挺水植物，并輔以菹草、狐尾藻、伊樂(lè)藻等沉水植物。如發(fā)現(xiàn)植物有死亡跡象，應(yīng)及時(shí)將其打撈出來(lái)，避免影響其它植物對(duì)水體的凈化。

5、結(jié)語(yǔ)

（1）挺水植物西伯利亞鳶尾、燕麥草在試驗(yàn)期間生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)均較好。其中，西伯利亞鳶尾在2012年11月份和2013年1月份TN、TP的去除率較高，TN的去除率達(dá)7.3%，TP的去除率達(dá)8.35%。而燕麥草則對(duì)TP有較高的去除率，平均去除率在6.5%以上。

（2）伊樂(lè)藻和狐尾藻在試驗(yàn)期間，平均存活率在40%～50%之間，從2013年1月份開(kāi)始植物大量死亡。試驗(yàn)期間伊樂(lè)藻TP的去除率較高，平均去除率在5.3%以上，而狐尾藻TP的去除率不太明顯。

（3）菹草在試驗(yàn)期間的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)最差，其存活率不及30%。但菹草在2012年11月TP的去除率最高，達(dá)8.09%。其在12月份開(kāi)始大量死亡，導(dǎo)致其對(duì)水體TN、TP的去除率大大降低。

（4）不同月份水生植物對(duì)小沿河水體氮磷去除的性能變化較大，總體表現(xiàn)為2012年11月和2013年3月氮磷去除效果較好，2013年2月、2012年12月和2013年1月較差。西伯利亞鳶尾和燕麥草對(duì)總磷去除效果總體上表現(xiàn)較為穩(wěn)定，受月份影響較小。

綜上，本研究在人工模擬徐州市小沿河冬季的自然條件下，采用西伯利亞鳶尾、菹草、狐尾藻、伊樂(lè)藻和燕麥草去除小沿河水體中的氮磷。在水里停留時(shí)間為2d時(shí)，不同水生植物氮磷去除性能差異顯著。與無(wú)植物空白相比，伊樂(lè)藻和燕麥草TP去除性能較好，西伯利亞鳶尾TN去除性能突出，菹草在大量死亡之前TP的去除率均優(yōu)于其它4種植物。綜合比較5種水生植物氮磷去除性能：西伯利亞鳶尾、燕麥草和伊樂(lè)藻可選擇作為去除徐州小沿河水體氮磷的植物。endprint